Dynamics of arrestin interactions with G protein-coupled receptors and membrane

Arrestine regulieren G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), indem sie Signalwege modulieren und Rezeptorlokalisation steuern. Nur vier Subtypen kontrollieren über 800 humane GPCRs, ermöglicht durch Flexibilität und multiple Bindungsmodi. In Stäbchenzellen bindet Arrestin-1 (Arr-1) lichtaktiviertes, phosphoryliertes Rhodopsin und beendet die visuelle Signaltransduktion. Man nimmt an, dass Arr-1 für die Rezeptorbindung durch drei Determinanten aktiviert wird: den phosphorylierten C-Terminus des Rezeptors, den aktiven Rezeptorkern und die Membran. Ohne aktiven Kern entsteht ein Vorkomplex niedriger Affinität über C-Terminus und Membran. Die Bindung aller drei induziert eine ~20°-Drehung der Arrestin-Domänen und ermöglicht feste Kernbindung sowie einen Hochaffinitätskomplex. Die Arbeit untersucht Arr-1-Aktivierung und Rhodopsinbindung mit zwei Ansätzen. Zwei konservierte Lysinreste (K14,K15) der N-Domäne stabilisieren den Grundzustand und koordinieren den phosphorylierten C-Terminus; sie wurden zu Argininen (KKRR) mutiert. Im rekonstituierten System zeigte die KKRR-Mutante verminderte Affinität zu phosphoryliertem inaktivem Rhodopsin; Aktivierung stellte nahezu WT-Affinität her. Biophysikalische Analysen fluorophormarkierter Arrestin-Mutanten zeigten reduzierte Mobilität des autoinhibitorischen C-Terminus, konsistent mit eingeschränkter Aktivierung. In C-terminal verkürztem Arr-1 waren R14 und R15 weniger effektiv in der Koordination des phosphorylierten C-Terminus, was auf veränderte Seitenkettendynamik und/oder Ladungsverteilung hinweist. Zudem wurde ein HTS für inhibitorische Peptide etabliert. Peptide aus dem zweiten intrazellulären Loop von GPCRs verhinderten den Hochaffinitätskomplex, nicht den Vorkomplex, und betonen die Rolle der Kernbindung. Zusammengefasst zeigen Studien, wie das Zusammenspiel von phosphoryliertem C-Terminus und Rezeptorkern den Bindungsmodus von Arr-1 bestimmt und wie Arrestin Phosphorylierung und Aktivierungszustände von GPCRs erkennt.